在大眾眼中，“高溫超導(dǎo)”似乎始終蒙著一層神秘的面紗，人們雖然知道它，但是卻不了解它。今年的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，一生致力于超導(dǎo)研究的趙忠賢院士榮獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。那么高溫超導(dǎo)究竟有何魅力，可以使無(wú)數(shù)科學(xué)家孜孜不倦地對(duì)其進(jìn)行探索？

中國(guó)科學(xué)院院士趙忠賢作題為《從超導(dǎo)研究看創(chuàng)新》的學(xué)術(shù)報(bào)告。

超導(dǎo)即導(dǎo)體電阻為零的“超級(jí)導(dǎo)電”現(xiàn)象

一般金屬導(dǎo)體的電阻會(huì)隨溫度下降而減小，那么，若把溫度不斷降低，電阻會(huì)發(fā)生怎樣的變化？100多年前，荷蘭的昂尼斯給出了答案，部分金屬的電阻會(huì)在低溫狀態(tài)下突然消失變?yōu)榱悖纬伞俺?jí)導(dǎo)電”的現(xiàn)象，我們稱這種現(xiàn)象為超導(dǎo)。

后來(lái)經(jīng)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，不僅電阻可以為零，超導(dǎo)體的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度也為零，即產(chǎn)生超導(dǎo)體完全抗磁的現(xiàn)象。這種神奇的電磁現(xiàn)象意味著超導(dǎo)體在所有電和磁的應(yīng)用領(lǐng)域都有用武之地，超導(dǎo)體也因此成為“材料之星”。

“麥克米蘭極限”和超導(dǎo)材料的特性成為了超導(dǎo)不可突破的“禁忌”

超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)需要極低的溫度，即超導(dǎo)臨界溫度。比如金屬汞需要在4.2 K（相當(dāng)于-269℃）以下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，如此低溫的環(huán)境需要靠昂貴的液態(tài)氦等來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，尋找超導(dǎo)臨界溫度更高的超導(dǎo)材料，是科學(xué)家們一直以來(lái)努力的方向。

1957年，物理學(xué)家麥克米蘭建立了常規(guī)超導(dǎo)理論。理論中提到，超導(dǎo)臨界溫度無(wú)法突破40K的上限，此理論又被稱為麥克米蘭極限。此外，科學(xué)家們還總結(jié)出了高臨界溫度超導(dǎo)材料應(yīng)具備的特征，包括高對(duì)稱性、高電子濃度、不含氧、無(wú)磁性、非絕緣體等特征。經(jīng)過(guò)60余年的不斷努力，科學(xué)家們目前為止尋找到的最高臨界溫度的材料是鈮鍺合金(23 K)。

高溫超導(dǎo)材料突破“禁忌”，開辟超導(dǎo)新天地

然而麥克米蘭極限理論以及高臨界溫度超導(dǎo)材料的特性并沒(méi)有成為科學(xué)家們探索新超導(dǎo)材料的桎梏，他們不斷在氧化物、金屬化合物、乃至有機(jī)物中實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)。1986年，瑞士科學(xué)家反其道而行之，在通常導(dǎo)電不好甚至絕緣的銅氧化物陶瓷材料中實(shí)現(xiàn)了溫度為30K的超導(dǎo)電性。緊接著，中國(guó)的趙忠賢、美國(guó)的朱經(jīng)武等科學(xué)家在另一銅氧化物材料中實(shí)現(xiàn)了溫度在90K以上的超導(dǎo)，這類超導(dǎo)材料也被稱之為高溫超導(dǎo)材料。這一重大發(fā)現(xiàn)徹底打破了麥克米蘭極限，突破了之前有關(guān)超導(dǎo)材料探索的“禁忌”。

高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度突破了液氮沸點(diǎn)(77K)，意味著超導(dǎo)可以用廉價(jià)的液氮來(lái)替代液氦，這么看來(lái)，超導(dǎo)就能夠得到更大規(guī)模的應(yīng)用。然而事與愿違，銅氧化物的機(jī)械性能很差，承載的電流密度有限，而且在磁場(chǎng)下其行為復(fù)雜，超導(dǎo)狀態(tài)也不穩(wěn)定。所以之后的30余年，銅氧化物的應(yīng)用一直處于技術(shù)瓶頸階段。更令人發(fā)愁的是，銅氧化物超導(dǎo)體的機(jī)制非常復(fù)雜，許多傳統(tǒng)的物理理論都不再適用于它，尋找新一類40K以上的高溫超導(dǎo)材料就成了迫在眉睫的任務(wù)。

2008年，驚喜再一次出現(xiàn)，日本的西野秀雄等人在鐵砷化物中實(shí)現(xiàn)了溫度為26K的超導(dǎo)電性。以趙忠賢為代表的一批中國(guó)科學(xué)家在第一時(shí)間驗(yàn)證了該結(jié)果，并且迅速通過(guò)稀土替換和高溫高壓合成的方法，把臨界溫度提升到了55K，第二個(gè)高溫超導(dǎo)家族“鐵基超導(dǎo)體”就此誕生。“鐵基超導(dǎo)體”的發(fā)現(xiàn)同樣是突破性的進(jìn)展——人們以往認(rèn)為含鐵的材料具有磁性，會(huì)使超導(dǎo)難以實(shí)現(xiàn)，但是鐵基材料不僅含鐵，還含鎳和鈷等磁性元素，因此超導(dǎo)和磁性完全可以在新機(jī)制下“和平共處”。

如今，兩大高溫超導(dǎo)家族的研究可以互相對(duì)照，為高溫超導(dǎo)機(jī)理和新超導(dǎo)材料的探索帶來(lái)前所未有的新機(jī)遇。高溫超導(dǎo)研究的突破，必將對(duì)科學(xué)研究乃至人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

作者：中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員羅會(huì)仟

“高溫超導(dǎo)”開辟超導(dǎo)新天地，始終于禁忌處見驚喜

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